用断裂力学法估算焊接钢结构的疲劳寿命.pdf

z 用断裂力学法估算 焊疆钢结构硇疲劳蒋命 武汉交通科技大学港口机械工程系 郭建生孙国正 ， ～．- ，一 摘要 针对焊接钢结构的特点， 指出了传统疲劳寿命估算方法中的缺点， 并运用断裂力学的理论总结出估算焊 ． 。 接钢结构疲劳寿命的计算步骤， 以实例说明该方法的优越性和可操作性。 ， ．口 氟词 锕 结构 疲劳寿命 焊接 裂纹 断 裂力 学 1 n 一一一一一 ’ } 7 ‘ fl - b - Alt r a c t I n v i e w o f t h e c h a r a c t e r i s t ic s o f we l d e d s t e e l s t r t u r e ， t h is p a p e r i n d i c a t e s t h e d i s a d v a n t a g e s o f t r a d i t a l V ／ ’ me 由0 d s f o r e s t i ma t in g f a t i g u e li f e ， a n d c o n c l u d e s t h e c a l c t d a t i o n p l l 3 c e d u r e s w i t h n e f r a c t u r e m e c h a n ic s me t h o d龃 we l l a s t h e b e n i fi t s a n d f e a s i b i l i t y wh i c h a I e il l u ．s t r a t e d b y a n e n p h K 姆 w0 r d b S t e d s t r t l e t u r e Fa t i g u e l i f e W dd i a g C r a c k Fr a c t u l me c h a 焊接钢结构由于生产制造过程的简易性和高效 3 以Mi n e r 线性累积损伤理论， 综合各级载 性 ， 在机械 、 造船和建筑领域 内， 已得到了广泛的应 用。但由于这类结构在焊接过程中不可避免地存在 如夹渣、 气孔、 咬边、 未熔合和焊接裂纹等焊接缺陷， 易造成其疲劳寿命降低。在港口机械金属结构的故 障调查中发现， 金属结构 鲫％的故障属 于疲劳 开 裂。所以研究此类金属结构的疲劳开裂行为和剩余 疲劳寿命的估算 ， 具有重要的实际意义。 1 传统疲劳寿命估算方法的缺陷 对承受随机载荷的焊接钢结构， 目前估算疲劳 寿命的主要方法是名义应力法和局部应力应变法 ， 其估算步骤如下 1 用雨流计数法统计应力 局部应变 时间历 程中包括的应力 应变 循环数 ， 拟合 出其统计分布 规律。 2 按 照一定的载荷谱和相应的疲劳寿命 曲 线 ， 计算各级载荷的损伤值 ／ Ni 。 荷造成的总损伤值 D∑ l i i 。 l -J i 4 以总损伤值 D 为产生裂纹 的准则， 计算裂 纹的形成寿命。 运用该方法对多种港口机械金属结构的疲劳寿 命进行估算， 结果与实际情况相差较大。究其原因， 一 是基础的数据积累不够； 一是焊接钢结构的特殊 性无法在该方法中得到体现。 以上方法运用于焊接钢结构时， 其弊端主要体 现在以下几个方面 1 实际焊接钢结构中的初始缺陷， 无法定量 的计人后续计算过程。 2 以 D∑ 来度量机械结构的损伤 ， 无法 i -J 检测。 3 无法合理地定出结构的剩余疲劳寿命和机 械结构的巡检周期， 不能满足现代机械设备动态管 理 的要求 。 重机技术创造一个广阔的空间， 尽快把科技成果转 化为生产力 ， 建议在今后起重机技术及产品发展时 要做到 加强预测分析， 做好技术经济合理定位； 认 真进行设计 ， 重视新成果的成功采用； 严格制作样 机， 认真总结制造工艺经验； 及时试验定型， 根据试 起t运输机械 9 9 9 { l o 验修改完善设计； 大力宣传推广， 做到恰如其分实事 求是； 搞好服务跟踪， 虚心听取用户反馈意见。 作 者 万力 地 址 北京市雍和宫大街 5 2号 邮 编 1 0 0 0 0 7 维普资讯 2 断裂力学方法 断裂力学是研究具有初始缺陷的材料和结构强 度的有力工具。它结合现代的无损探伤技术， 能够 克服传统研究方法中所表现 出的弊端。如定量计人 初始缺陷对疲劳寿命的影响， 以裂纹的尺寸大小和 裂纹的扩展速率作为结构损伤大小的判据， 来判定 剩余寿命和巡检周期等。 断裂力学认为裂纹的拉展速率是应力强度 因子 幅值 △ f 的函数， 其与 △ f 的关系是如图 1所示的 一 条 S形曲线。该曲线可埘分为三个区域 I区不扩展区 这时结构材料中 △K≤△ K 。△ K 称为疲劳裂 纹扩展的门槛值， 即当结构缺陷部位的应力强度因 子幅值低于该值时， 疲劳裂纹不会扩展， 此时的裂纹 为安全 裂纹 。 ／ ’ ； 1 韭d N c A K ． 一 匝医 ， 。 』 j l 一 图 1 对数 坐标中 d d 与 凸 K 的关 系 Ⅱ区条纹扩展区 处于 该 区 中 的裂 纹扩 展 速 率 满 足 著 名 的 P A R I S公式． 即 d a C a K 式中n 裂纹的长度 N载荷的循环次数 △K 应力强度因子幅值 △f K一一K C， m材料常数， 在双对数坐标系中， m 为直线的斜率 一 1 n 一 Ⅲ区快速扩展区 该区中裂纹扩展速率极快， 常常不计算其寿命 值。应力强度 因子是度量裂纹尖端附近区域应力场 强弱的物理量。按照裂纹的扩展形式 张开型、 滑移 型和搬开型 ， 应 力强度 因子也相应 的分为 K T 、 KⅡ 、 KⅢ 。其一般计算式为 K F a／ 式中F 形状修正系数。图 2为角裂纹时应力 强度 因子的放大曲线 一 广义载荷值 裂纹尖端附近区域 的正 应力或剪应力 针对具体 的情况 ， 可查阅应力强度 因子 手册 和文 献_ 2 _2。裂纹尺寸由Ⅱ 扩展到Ⅱ 的疲劳寿命即为 N f 血 一 C a K 式中4 初始裂纹长度。对于焊接结构可用 肉 眼观测或无损探伤技术检测确定。当 肉眼监测不出缺陷并且有资料确认焊 缝质量达到探 伤的 Ⅱ级标准 时， 可假 定 ‰2 mm 裂纹扩展的临界尺寸 对于 的确定， 有两条原则可循 ①构件的净截面应力小于或等于材料的屈服极 限口 或者是强度极限g b 。 ②运用材料的平面应变断裂韧性 K】 值确定出 的0 。为安全起见 ， 选取较小的 值。 蕾 臀 _ K 世 商 _R 圈2 角裂鼓应力强度放大系散圈 ‘ 起t运输机械 1 9 ／ 9 I 1 0 维普资讯 3 实例 某桥式起重机的主粱截面为如图 3所示的工字 形截面， 结构材料为 0 2 3 5一A， 焊缝质量为超声 波 探伤的Ⅱ级标准， 在消除焊接残余应力后， 工作应力 为 1 1 3 ． 4 MP a ， 非工作应力为 3 3 ． 2 Me a ， 要计算该 结构的疲劳寿命 。 图 3 起重机主粱截面示意 图 在该结构中， 位置 1 、 2 、 3都是可能产生裂纹的 部位 ， 其中位置 2在出现裂纹后， 裂纹的扩展对结构 的承载能力影响最大， 因此假定该部位 的初始裂纹 a 2 m m， 缺陷形状为圆形 b ／ a1 ， 沿 9 0 “ 方向扩 展， 那么按图 2推出的该处应力强度因子 K 的计算 公式为 K c 0 ． 8 9 a o 式中的 E k 为二类完全椭圆积分， 查表得 E ／ 2 。所以， △K 0． 8 9 Z 3 a 丌 n1 7 8． 9 2 该结构中的初始缺陷会产生裂纹扩展， 必须进 行裂纹扩展速率的验算。取 Kl 1 8 7 3 ． 7 6 ， 计算出 临界裂纹尺寸 a 为 ≈ 儿 o lT a ／ l 实际结 构 中 当 位置 2的 裂 纹横 向 扩 展 到 1 l O mm， 并穿透下翼缘板时， 结构的实际承载截 面 形式就演变为图4的形式， 此时结构中的真实应力 应为 l Wd 1 开裂前的截面抗弯模量为 W 1． 9 51 0 6 mm3 ‘ 起tj 盖 输机械 t 9 9 9 t o 1 图 4 裂致扩展后截面示意图 开裂后 的截面抗弯模量为 W1 丽 1 1 式中 高度 新韵形心位置 ， 2 3 7 ． 5 mm 卜一 开 裂后 的截 面惯 性矩 ， J4 ． 4 6 8 t o s t T t LT t4 J l 开裂前的截面惯 性矩， J 1 5 ． 3 6 7 l O s 1 “1 1 1 1 1 4 工作应力， 取 1 1 3 ． 4 MP a 将以上参数代人式 1 中， 开裂后的最大应力值 结 构的实际承载应力 为 W W ，d1 4 9． 7 MPa a 所以取临界裂纹尺寸为 l l 0 mm。而其裂纹 的扩展 寿命为 N 一 “ - 、 一 d a 2 t L ， 、 un ， ⋯ 其中， C4 ． 6 1 0 一 ”， 代人式 2 中得 【 d n N J 百 1 ． 3 1 l 0 6 按照该机每年工作3 0 0天， 每天 1 6 h ， 一个工作循环 为 5 m in ， 那么一年的工作循环散为5 ． 7 6 1 0 4 ， 所以 其年限寿命为 ≈2 3 年 在位置2 处的裂纹扩展并穿透翼缘板的时间可确定 为 维普资讯 N J 8 0 d n 2 4 ． 6 x 1 0 x 0 ． 8 9 x 8 0 ． 2 x 3 6 5 1 0 5 5 7 6 xl 0 1 4 年 ～ ． 4 ’、’ 计算结果表 明， 结构中无穿透性裂纹的寿命是 1 4年， 因为在该寿命期内结构的宏观状态与设计的 要求基本相同， 故称其为正常使用寿命。而在翼缘 板出现穿透性裂纹后， 结构的宏观状态就逐渐偏离 设计的要求， 则称该阶段的寿命 为结构伤残期寿命 即裂纹扩展到某一特定尺寸后 ， 在结构断裂之前结 构的剩余寿命 。由此得出， 结构的伤残期寿命与正 常使用期寿命的关系约为 l 2 。 4 结论 1 利用该方法计算出的穿透性裂纹出现的时 间与实际情况中发现结构的开裂时问基本相 同； 实 际裂纹的扩展速度比计算的裂纹扩展速率略大。 2 结论 1 说明， 利用断裂力学法不仅可以计 算结构的剩余疲 劳寿命 ， 而且对于具有初始缺陷的 焊接结构也可以计算宏观裂纹 出现前的疲劳寿命 ， 需作的工作就是依据初始缺陷的大小合理定出等效 初始裂纹的长度。 3 结构处于伤残期服役 时， 应定期检测裂纹 的长度， 以保证结构的安全性、 可靠性。 综上所述， 利用断裂力学法求解焊接结构的疲 劳寿命问题 ， 比传统 的疲劳分析方法更合理 ， 可操作 性更强。该方法的推广还需要作一定的实验研究和 实际积累， 如低碳钢材料断裂力学特征常数的准确 获得、 等效初始裂纹长度与初始缺陷的关系等。可 以预见， 断裂力学方法将是解决焊接结构疲 劳寿命 的一种有效途径。 参考文献 l 徐振兴． 断裂力学． 湖南 湘潭大学出版社． 2 吴清可 主编． 防断裂设计 北京 机械工业 出版杜 3 赵少汴编著． 抗疲劳设计 北京 机械工业 出版杜 作 者 郭建生 地 址 武汉市武昌余家头 邮 编 4 3 0 0 6 3 收稿 日期 1 9 9 8 ． 1 2 ． 2 5 钢丝绳摩擦传动防滑计 西北建筑工程学院马志奇 I 方 ／ r 、 ’ 摘要 通过钢丝绳摩擦传动的受力分析， 得出不打滑状态下的广义欧拉公式和接触弧内任一截面上钢丝绳张 力 的分布规律 ， 提出 了一种引入许用 防滑角进行钢丝 绳摩擦传动防滑计算的新方法。 毅词 Ah s TNs p a p e r a l y z e s t h ef o r o o f wi r e r o p ef r i c ti o nd r i v e a n dd e r i v e st h e e x t e n s i v e B_l 1 叮 f o r mu l a u n d e rn o n s l i p p a g e c o n d k i o a s we l l a s i n d i c a t e s t h e d i s t r i b u t i o o f t h e t a1 s i 0 n o n a n y e c t k m o f wi r e r o p e t a c t c u r v e On t h e h a s ， a n e w s i b l e a n t i s l i p p a g e a n g l e h o s e d me t h o d f o r a n t i - s l i p g e c a l c u l a t i o n o f w i r e l q f r i c t i o n d r i v e i s p u t f o r - wa r 4 Ke y w o r d s W i r e雌F r l c 6 o d r i v e An t i s l i p p a g e C a l c u ht k me t h o d 钢丝绳摩擦传动的正常工作以钢丝绳在驱动卷 筒或绳轮上不打滑 为前提条件 ， 防滑计算是钢丝绳 摩擦传动设计中的一个主要内容。本文根据反映钢 丝绳在不打滑状态下工作时两端张力间关系的广义 欧拉公式的推导 ， 在现有防滑计算方法的基础上， 提 出了一种引入许用 防滑角进行防滑计算 的新方法， 并对不同类型钢丝绳摩擦传动的许用防滑角进行了 计算。 1 钢丝绳摩擦传动受力分析及广义欧拉公 式 钢丝绳摩擦传动靠钢丝绳与驱动卷筒或绳轮之 起■运输机械 l 9 9 9 1 0 、 ， ， ， 新 维普资讯